城市軌道交通小半徑曲線設計探討

柴小艷

(中鐵二院華東勘察設計有限責任公司,310004,杭州∥工程師)

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城市軌道交通小半徑曲線設計探討

柴小艷

(中鐵二院華東勘察設計有限責任公司,310004,杭州∥工程師)

城市軌道交通選線的限制性邊界條件較多。在城市軌道交通線路選線中經常會遇到需精細化定線的情況。分析總結了小半徑曲線精細化選線的影響因素。以杭州地鐵2號線二期為例,介紹了在城市軌道交通實際選線中的小半徑曲線精細化定線的設計思路，詳細論述了精細化定線設計過程中的4個方案及各方案的優(yōu)缺點，并進行了分析比選。最終，杭州地鐵2號線二期工程選擇了只拆除公建房的270 m半徑曲線方案，實現了各方要求。

城市軌道交通; 小半徑曲線; 設計影響因素

Author′s address CREEC East China Survey and Design Co.,Ltd.,310004,Hangzhou,China

線路設計作為城市軌道交通設計中的前期專業(yè),也被稱為整個工程設計中的“龍頭”,把握著整個項目的總體布局。在線路設計中,由于各個階段對相關基礎資料的掌握程度不同,線路設計也隨著設計階段的推進而不斷深入精細化。

在城市軌道交通選線中,車站位置的選擇往往需要考慮到客流的需要。如車站設置于大型客流集散點,則區(qū)間就避免不了用曲線來實現線路方向的轉變。線路曲線半徑大小,對線路的工程可實施性、房屋拆遷、行車運營安全、運營維護費用、乘客舒適度等都有一定的影響。然而，由于受城市建設狀況及工程地形條件等多因素的限制,選擇小半徑曲線常常不可避免。

為減少線路的頻繁調整給其他專業(yè)的設計帶來工作的反復,為后期施工提供良好的條件、節(jié)省工程投資以及避免給將來運營帶來不利影響,線路在小半徑曲線處需進行精細化定線,以盡早穩(wěn)定線路方案。

1 小半徑曲線對城市軌道交通設計影響

城市軌道交通正線設計中的小半徑曲線的選定,是綜合考慮工程可實施性、動拆遷量及拆遷費用、環(huán)境保護、工程和運營經濟性、社會穩(wěn)定性等多方面權衡的結果。

(1) 小半徑曲線可以更好地適應地形、地物、地質等條件的限制。在城市軌道交通線路設計中,常常會遇到線路需穿越建筑物密集地塊或有較深樁基礎地塊的情況,或者線路沿線有需要特殊保護的文物建筑、重要管線等。這些情況均在一定程度上影響線路選線的方案設計。選擇合理的曲線半徑可使線路選線在城市密集建筑群間走行游刃有余,還可繞避建構筑物較深樁的基礎,能較好地適應不同的地形、地物和地質條件。

(2) 小半徑曲線對拆遷量的影響。城市軌道交通線路選線設計中,線路一般沿城市道路敷設。在線路轉向時,線路選線一般按照盡量減少對地塊的切割的原則。小半徑曲線可實現此原則,能減少對地塊的切割,降低對地塊房屋建筑的影響,從而減少拆遷量,降低拆遷費用。尤其對于建筑物密集、寸土寸金的城市中心區(qū)域,縮小曲線半徑所減少的工程拆遷量和拆遷費用是非常可觀的。如遇到高層建筑群,同一處曲線采用大、小半徑所引起的拆遷工程費差異達到數千萬元甚至上億元[3]。

(3) 小半徑曲線對運營費用的影響。輪軌間的摩擦造成了對鋼軌的磨耗,曲線鋼軌磨耗主要是小半徑曲線鋼軌的側面磨耗和波浪型磨耗。曲線半徑越小,對鋼軌的磨耗就越嚴重,運營費用越高，同時地縮短了鋼軌更換的周期。根據文獻[4]，曲線半徑對鋼軌磨耗的影響分析中,磨耗功率是隨著曲線半徑的逐漸增大而減小,如圖1所示。

圖1 曲線半徑對鋼軌磨耗功率影響分析圖

(4) 小半徑曲線對環(huán)境的影響。在環(huán)境保護日益受到重視的當今,國家對建設項目的環(huán)境保護和管理日趨規(guī)范和嚴格。在可行性研究設計階段，有環(huán)境影響評價制度指導設計,在由政府環(huán)境監(jiān)督的前提下,引入了環(huán)境監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)理。而地鐵列車在通過小半徑曲線時,由于輪緣與軌頭側面接觸處的半徑大于車輪踏面的半徑,因此在車輪繞瞬間轉動中心轉動時,輪緣與軌頭側面的磨耗會產生尖嘯的噪聲和振動，進而直接對周邊環(huán)境產生影響,從而影響環(huán)境評估。

(5) 小半徑曲線對社會穩(wěn)定的影響。近年來,隨著城市軌道交通環(huán)境影響評價的規(guī)范化,對城市軌道交通對環(huán)境的影響日趨重視,國家發(fā)展和改革委員會為建立和規(guī)范重大固定資產投資項目社會穩(wěn)定風險評估機制,制定了《國家發(fā)展改革委重大固定資產投資項目社會穩(wěn)定風險評估暫行辦法》，而城市軌道交通的建設屬于重大固定資產投資項目范疇。因此,在項目可行性研究階段需完成社會穩(wěn)定風險評估。小半徑曲線在穿越地塊,尤其是住宅地塊時,需對所穿越地塊內所有居民進行入戶調查,以排除不穩(wěn)定風險因素,制定相應對策措施。

綜上所述,選擇合理的小半徑曲線在線路選線中顯得十分重要。因此,城市軌道交通線路設計中,在掌握充分的基礎資料的前提下，應綜合考慮各方面因素的影響,權衡利弊,盡量做到對曲線半徑的合理選擇,做到小曲線半徑的精細化定線,以穩(wěn)定線路方案,減少后續(xù)工作的反復。

2 小半徑曲線精細化定線設計案例分析

本文以杭州地鐵2號線二期為例,詳細說明在小半徑曲線下穿某高檔住宅小區(qū)精細化定線的設計研究中,如何綜合考慮各個影響因素,如何權衡利弊最終選擇合理的小半徑曲線的研究過程。

2.1 工程概況

因受工程實際情況及線路技術條件控制,杭州地鐵2號線二期工程線路必須下穿某十字路口東北象限的某高檔住宅小區(qū)。該小區(qū)建于1999年,小區(qū)內建筑均有樁基礎,樁長25～35 m不等,沿街商鋪多為2～3層的公建房。

通過現場踏勘及問詢了解,該小區(qū)現多為別墅,有少量多層建筑,其容積率較低、所處地理位置較佳、房價較高,且居民有較高的文化素質和維權意識。

2.2 精細化定線思路

本案例的設計思路采用層層遞進、逐級篩選論證,最終實現精細化定線的最優(yōu)化方案。所采用的研究思路如圖2所示。

2.3 精細化定線設計過程

通過選擇不同的曲線半徑下穿高檔居住小區(qū),并進行逐級比較篩選。方案比選如下。

2.3.1 方案一

方案一中，區(qū)間兩端車站均為地下兩層站,采用350 m的曲線半徑穿過高檔居住小區(qū)時，需拔樁拆遷。地鐵區(qū)間下穿該高檔居住小區(qū)地塊的平面示意圖見圖3，縱斷面示意圖見圖4。

方案一的優(yōu)點為:①區(qū)間線路采用350 m的曲線半徑,線路條件相對較好。②曲線半徑為350 m,列車限速為70 km/h，對后期列車運營影響較小,且后期維護費用較低。缺點為線路下穿5幢別墅房、1幢6層住宅樓及沿街的公建房的樁基礎,拆遷面積較大。根據以往城市地鐵工程建設經驗,由于私人住房拆遷難度大,尤其是高檔住宅小區(qū),建設工期進度難以保證。

2.3.2 方案二

方案二提出以“區(qū)間隧道下穿高檔居住小區(qū)建筑物樁基,并確保與樁基底端有足夠凈距”為前提條件,用以解決對該高檔居住小區(qū)建筑物大量拆遷的問題。方案二與方案一在平面上所穿小區(qū)位置相同。只是方案二將車站均設為地下3層車站，并適當加高層高,以使區(qū)間從樁基下方安全穿過(樁基底與隧道的最小凈距為2.5 m)。縱斷面設計如圖5所示，地鐵區(qū)間分別采用28.00‰及27.75‰的縱坡。

圖2 小半徑曲線精細化定線研究思路

圖3 方案一地鐵區(qū)間下穿地塊平面示意圖

圖4 方案一區(qū)間穿地塊縱斷面示意圖

圖5 方案二地鐵區(qū)間下穿地塊縱斷面示意圖

方案二優(yōu)點為:①區(qū)間隧道采用盾構工法下穿該高檔居住小區(qū)房屋樁基,相應的房屋不需拆遷,區(qū)間施工工程難度小,協調量小,工期進度便于控制。②區(qū)間線路半徑為350 m,線路條件較好。

方案二的缺點為:該區(qū)間雖然繞避了高檔居住小區(qū)較深的樁基礎,但受影響的房屋較多。尤其是地鐵運營階段，會有較多房屋的居民受到噪聲及振動的影響，故社會穩(wěn)定性風險較高。

2.3.3 方案三

為減少拆遷,繞避高檔居住小區(qū)住宅樓,方案三線路采用300 m半徑曲線來下穿小區(qū)的游泳池和網球場,并下穿沿街公建房樁基。此區(qū)間兩端車站均為地下兩層車站,且其上下行區(qū)間重疊。圖6為方案三的平面示意圖，圖7為方案三的縱斷面示意圖。

圖6 方案三平面示意圖

方案三的優(yōu)點為:①區(qū)間兩端車站均為地下兩層車站,車站投資相對較少。②線路在平面上避開了高檔居住小區(qū)的住宅房屋,只下穿沿街的低層公建商鋪,拆遷難度相對較小,工期進度相對可控。③區(qū)間線路可采用300 m的曲線半徑,線路條件尚可。

方案三的缺點為:①由于線路曲線半徑為300 m,并且該曲線基本位于區(qū)間中部,對行車不利。②區(qū)間線路上下行線重疊段長約600 m,工程施工難度較大,風險高,需采取相應的加固措施,從而導致區(qū)間工程造價相應提高。③區(qū)間通風豎井、聯絡通道設置難度較大。根據目前方案，通風豎井、聯絡通道和泵站可結合設置,并利用拆遷的公建房位置建造風井，但造價較高。

圖7 方案三縱斷面示意圖

2.3.4 方案四

與方案一相同,方案四區(qū)間兩端車站亦均為地下兩層站。為減少拆遷,方案四線路采用278 m的曲線半徑,可繞避高檔住宅小區(qū)住宅樓,但地鐵區(qū)間碰到沿街公建房樁基,須拆房拔樁。方案四的平面示意圖見圖8。

圖8 方案四平面示意圖

方案四的優(yōu)點為:①線路在平面上繞避了高檔住宅房屋,只下穿沿街的公建房,拆遷難度小,工期進度相對可控。②盾構區(qū)間不下穿高檔住宅小區(qū)的居民樓,故地鐵在運營期間對環(huán)境影響較小,社會穩(wěn)定性風險較小。

方案四的缺點為:①區(qū)間線路采用278 m的曲線半徑,列車限速為60 km/h。②曲線基本位于區(qū)間中部,對提高整個區(qū)間列車旅行速度不利。③對軌道磨耗較大,運營維護費用較高。

2.3.5 方案比選

經過多次反復論證,綜合考慮車站及區(qū)間的工程量、線路條件、拆遷規(guī)模、工程風險、社會穩(wěn)定風險、運營維護等因素,方案一房屋拆遷規(guī)模最大,拆遷難度大,拆遷費用高,工期可控性差,運營維護費用較低；方案二雖然沒有房屋拆遷,但其對高檔住宅小區(qū)的影響較大,存在很高的社會穩(wěn)定性風險,增加了環(huán)評工作的難度,導致工期無法得到保證；方案三上下行區(qū)間重疊長度較長,增加了工程風險和工程造價,且區(qū)間通風豎井和聯絡通道的實施難度較大,無法滿足消防部門提出的較高要求；相對而言，方案四則是在最困難條件下,實現了各方面的折中——房屋拆遷規(guī)模最小、投資最省、工程風險低、工期進度可控。因此，在經過專家咨詢論證和各專業(yè)、各部門協調討論后，確定方案四為最終推薦方案。

3 結語

城市軌道交通線路選線設計時,常常會遇到線路穿越建、構筑物密集地塊的問題,或者類似案例中杭州地鐵2號線二期線路所遇到的問題。設計人員應在綜合考慮房屋拆遷、環(huán)境影響、投資成本、社會穩(wěn)定風險等各方面因素的前提下對小半徑曲線精細化設計,以盡早穩(wěn)定線路方案。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.地鐵設計規(guī)范：GB 50157—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2] 中鐵二院工程集團有限責任公司.杭州地鐵2號線二期工程可行性研究報告[R].成都：中鐵二院工程集團有限責任公司,2013.

[3] 顧保南,姜曉明,程曜彥,等.論城市軌道交通最小曲線半徑標準的選擇[J].同濟大學學報(自然科學版),2003,31(4);428-431.

[4] 張雯.線路工程[M].成都:西南交通大學出版社,2005.

[5] 王洪剛,肖宏,彭華.地鐵小半徑曲線鋼軌波磨影響因素分析[J].鐵道標準設計,2013(8)：59-62.

[6] 戴春陽,胡華峰,高亮,等.地鐵運營條件與線路參數對曲線鋼軌磨耗的影響[J].都市快軌交通,2011,24(5)：6-10.

On Small Radius Curve Design for Urban Rail Transit CHAI Xiaoyan

The boundary condition for urban rail transit line selection is restricted.The alignment of urban rail transit line often encounters the situation of refinement design requirements. Based on the Phase II of Hangzhou metro Line 2 practice, the factors influencing the refinement design of rail transit small radius curve are analyzed and summarized, the design idea is introduced, 4 design schems are described in detail, including their advantages and disadvantages. Finally, the scheme of 270 m small radius curve is recommended, it only demands the demolishment of some public houses but will meet the requirements of all the parties related.

urban rail transit; small radius curve; influencing factors on design

U 212.33+2.1

10.16037/j.1007-869x.2016.09.012

2015-01-20)